基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法

摘要

本发明公开了基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，根据安装在冲洗平台上的激光测距仪和监控摄像头采集距离及监控的图像得到当前机器人与绝缘子之间的相对距离，判断该相对距离是否是安全距离，若是，进行下一步，若不是，调整位置，直至该相对距离为安全距离；确定路径规划的起始状态；采用直线插补方式实现水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的自动冲洗；采用逐点比较法的圆弧插补方式实现喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗；在进行水冲洗时，通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串振动频率的调节。本发明使机器人工作在安全距离，使冲洗轨迹的起点和终点定位准确，提高冲洗的质量和效率。

权利要求

1.基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，包括：步骤一：根据安装在冲洗平台上的激光测距仪和监控摄像头采集距离及监控的图像得到当前机器人与绝缘子之间的相对距离，判断该相对距离是否是安全距离，若是，进行下一步，若不是，调整位置，直至该相对距离为安全距离；确定路径规划的起始状态；

步骤二：采用直线插补方式实现水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的自动冲洗；

步骤三：采用逐点比较法的圆弧插补方式实现喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗；

步骤四：在进行水冲洗时，通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串振动频率的调节；

所述步骤二中，具体过程为：

(2-1)在冲洗过程中采集得到起始时刻及终止时刻操作臂的关节角度；

(2-2)对于单个关节的平稳运动，轨迹函数θ(t)至少满足四个约束条件，根据约束条件对应的约束方程唯一的确定一个三次多项式；

(2-3)根据该三次多项式得到运动轨迹的关节速度与加速度，将运动轨迹的关节速度与加速度代入约束方程得到三次多项式的系数，该系数确定了冲洗时间与冲洗角度的关系；

(2-4)根据绝缘杆的长度及三次多项式得到冲洗过程中绝缘杆的长度随时间的变化关系，对(l,d,θ0,θf)进行插值，生成水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的冲洗轨迹。

2.如权利要求1所述的基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，所述约束条件，其中两个是起始点和终止点对应的关节角度：θ(0)＝θ0；

θ(tf)＝θf；

其中，θ0,θf为起始点和终止点的关节角度。

3.如权利要求1所述的基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，为了满足关节运动速度的连续性要求，另外还有两个约束条件，即起始点与终止点的关节速度要求，规定：θ'(0)＝0；

θ'(tf)＝0；

其中，θ`(0),θ`(tf)为起始点和终止点的关节角速度。

4.如权利要求1所述的基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，所述四个约束条件唯一的确定了一个三次多项式：θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3；

其中，θ(t)为时间参变量t时刻的关节角度，a0,a1,a2,a3为待定系数。

5.如权利要求1所述的基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，所述运动轨迹的关节速度与加速度为：θ'(t)＝a1+2a2t+3a3t2

θ”(t)＝2a2+6a3t。

6.如权利要求1所述的基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，所述将运动轨迹的关节速度与加速度代入相应的约束方程，得到有关系数a0，a1，a2，a3：a0＝θ0

a1＝0

由此确定了时间与角度的关系，当进行冲洗时，车体相对于绝缘子的距离是一定的，设为d，可得绝缘杆的长度l＝d/sinθ，带入公式θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3，可以得到冲洗过程中绝缘杆的长度随时间的变化关系：

对(l,d,θ0,θf)进行插值，生成水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的冲洗轨迹。

7.如权利要求1所述的基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，所述步骤三中，逐点比较法的圆弧插补方式具体过程如下：圆弧起点坐标为(X0,Y0)，终点坐标为(Xe,Ye)，对于圆弧上任一点(Xi,Yi)，有：Xi2+Yi2＝R2，令F＝Xi2+Yi2-R2为偏差函数，当F＞0时，该点在圆外，向-X方向运动一步；当F＜0时，该点在圆弧内，向+Y方向运动一步；为使运动继续下去，将F＝0归入F＞0的情况，插补运动始终沿着圆弧并向终点运动。

8.如权利要求6所述的基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，圆弧插补的判别计算可采用如下的迭加运算：设当前点(Xi,Yi)对应的偏差函数为

Fi＝Xi2+Yi2-R2

当喷枪沿-X方向走一步后：

Fi+1＝(Xi-1)2+Yi2-R2＝Fi-2Xi+1当喷枪沿+Y方向走一步后：

Fi+1＝Xi2+(Yi+1)2-R2＝Fi+2Yi+1终点判别可由n＝|Xe-X0|+|Ye-Y0|判别，每走一步使n＝n+1，直至n＝0为止。

9.如权利要求1所述的基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，所述步骤四中，卡门涡街形成的条件：在流体中的圆柱体，其雷诺数满足47

说明书

基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗方法。

背景技术

[0002] 随着工业经济和城市建设的飞速发展，对变电站供电的连续性和质量提出了越来越高的要求。然而由于输电线路设备长期暴露在大自然中，特别是工业区域，沿海和盐碱地区域，受工业废气、海水和自然界盐碱、粉尘的影响，通常会在其绝缘子表面形成一定程度的污秽。这些含有盐、酸、碱性成分的污秽，一般来说可溶于水，污秽溶于水后成为电解质，具有很强的导电性。受到污染的绝缘子，电导增大，绝缘性能降低，泄漏电流急剧增加，其闪络电压大大降低，此时就容易发生污垢闪络。当绝缘子设计泄露比距不够或采用的绝缘子不能满足污秽要求时，污闪很有可能出现。污闪事故一旦发生，可直接导致用户大面积、长时间停电，致使供电可靠率下降，从而给工农业生产和居民生活用电带来严重的负面影响。防止输电线路污闪，防止电网大规模停电事故的发生，确保电网安全稳定运行和电力可靠供应就显得尤为重要。

[0003] 目前，变电站绝缘子水冲洗存在的问题是：

[0004] 1、变电站绝缘子的清扫工作主要采用停电人工清扫或带电水冲洗。采用停电人工清扫质量低、设备清扫工作处于被动状态，不能得到适时的清扫，这些都会对变电站输电线路的安全稳定运行造成一定的隐患。

[0005] 2、部分变电站绝缘子的清扫工作依靠机器进行，但是自动化水平低，控制不够精确，从而导致对变电站绝缘子的清扫不够彻底，不能满足安全要求。

[0006] 基于此发明的变电站水冲洗机器人能够实现带电作业，稳定高效水冲洗，有利于电网的稳定运行。现在，水冲洗机器人的研发如火如荼，而关于水冲洗机器人进行水冲洗作业时的路径规划问题还不完善。

发明内容

[0007] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，该冲洗控制方式用来规划水冲洗机器人对绝缘子进行冲洗的路径，调整喷枪与绝缘子之间距离，冲洗过程中调节冲洗出水速度形成卡门涡街等。能有效的保证机器人在冲洗过程中平滑运行，实现误差和加速度可控，并具有良好的冲洗效果。

[0008] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

[0009] 基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，包括：

[0010] 步骤一：根据安装在冲洗平台上的激光测距仪和监控摄像头采集距离及监控的图像得到当前机器人与绝缘子之间的相对三维坐标值，判断两者相对距离是否是安全距离，若是，进行下一步，若不是，调整冲洗平台的位置，直至该相对距离为安全距离；确定路径规划的起始状态；

[0011] 步骤二：采用直线插补方式实现水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的自动冲洗；

[0012] 步骤三：采用逐点比较法的圆弧插补方式实现喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗；

[0013] 步骤四：在进行水冲洗时，通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串振动频率的调节。

[0014] 所述步骤二中，具体过程为：

[0015] (2-1)在冲洗过程中，安装在各关节旋转轴上的角位移传感器采集得到起始时刻及终止时刻操作臂的各关节角度；

[0016] (2-2)对于单个关节的平稳运动，轨迹函数θ(t)至少满足四个约束条件，根据约束条件对应的约束方程唯一的确定一个三次多项式；

[0017] (2-3)根据该三次多项式得到运动轨迹的关节速度与加速度，将运动轨迹的关节速度与加速度代入约束方程得到三次多项式的系数，该系数确定了冲洗时间与冲洗角度的关系；

[0018] (2-4)根据绝缘杆的长度及三次多项式得到冲洗过程中绝缘杆的长度随时间的变化关系，对(l,d,θ0,θf)进行插值，生成水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的冲洗轨迹。

[0019] 所述约束条件，其中两个是起始点和终止点对应的关节角度：

[0020] θ(0)＝θ0；

[0021] θ(tf)＝θf；

[0022] 其中，θ0,θf为起始点和终止点的关节角度；

[0023] 为了满足关节运动速度的连续性要求，另外还有两个约束条件，即起始点与终止点的关节速度要求，并规定：

[0024] θ'(0)＝0；

[0025] θ'(tf)＝0；

[0026] 其中，θ′(0),θ′(tf)为起始点和终止点的关节角速度。

[0027] 所述四个边界的约束条件唯一的确定了一个三次多项式：

[0028] θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3   (1)；

[0029] 其中，θ(t)为时间参变量t时刻的关节角度，a0,a1,a2,a3为待定系数。

[0030] 所述运动轨迹的关节速度与加速度为：

[0031] θ'(t)＝a1+2a2t+3a3t2   (2)

[0032] θ″(t)＝2a2+6a3t   (3)

[0033] 所述将运动轨迹的关节速度与加速度代入约束方程(1)，得到待定系数a0，a1，a2，a3：

[0034] a0＝θ0

[0035] a1＝0

[0036]

[0037]

[0038] 由此确定了时间与角度的关系，当进行冲洗时，车体相对于绝缘子的距离是一定的，设为d，可得绝缘杆的长度l＝d/sinθ，带入公式θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3，可以得到冲洗过程中绝缘杆的长度随时间的变化关系：

[0039]

[0040] 利用逐点比较的圆弧插补法，对(l,d,θ0,θf)进行插值，生成水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的冲洗轨迹。

[0041] 所述步骤三中，逐点比较的圆弧插补法具体过程如下：

[0042] 圆弧起点坐标为(X0,Y0)，终点坐标为(Xe,Ye)，对于圆弧上任一点(Xi,Yi)，有：Xi2+2 2 2 2 2
Yi＝R，令F＝Xi+Yi-R为偏差函数，当F＞0时，该点在圆外，向-X方向运动一步；当F＜0时，该点在圆弧内，向+Y方向运动一步；为使运动继续下去，将F＝0归入F＞0的情况，插补运动始终沿着圆弧并向终点运动。

[0043] 圆弧插补的判别计算可采用如下的迭加运算：

[0044] 设当前点(Xi,Yi)对应的偏差函数为

[0045] Fi＝Xi2+Yi2-R2

[0046] 当喷枪沿-X方向走一步后：

[0047] Fi+1＝(Xi-1)2+Yi2-R2＝Fi-2Xi+1

[0048] 当喷枪沿+Y方向走一步后：

[0049] Fi+1＝Xi2+(Yi+1)2-R2＝Fi+2Yi+1

[0050] 终点判别可由n＝|Xe-X0|+|Ye-Y0|判别，每走一步使n＝n+1，直至n＝0为止。

[0051] 所述步骤四中，卡门涡街形成的条件：在流体中的圆柱体，其雷诺数满足47

[0052] 绝缘子串振动频率与流体(水)速度成正比，与阻流体的正面宽度成反比，卡门涡街频率与流体速度和阻流体即旋涡发生体宽度有如下关系：f＝SrV/d，其中f＝卡门涡街频率；Sr＝斯特劳哈尔数；V＝流体速度；d＝阻流体迎面宽度；

[0053] 通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串振动频率的调节，以产生良好的冲洗效果。

[0054] 冲洗绝缘子时，水流从绝缘子两侧剥离，形成交替的涡流，这种交替的涡流，使绝缘子两侧水流的瞬间速度不同，水流速度不同，绝缘子两侧受到的瞬间压力也不同，因此使绝缘子发生振动，通过绝缘子的这种震动达到清除污垢的效果。通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并改变振动频率，以增强水冲洗机器人的水冲洗效果。

[0055] 本发明的有益效果：

[0056] 1)所得轨迹能保证在上下方向直线段与面向喷头一侧的圆弧段之间的冲洗位置和速度连续。能使机器人的执行时间最小化，从而提高水冲洗机器人的冲洗效率，使机器人的执行机构更容易跟踪。

[0057] 2)采用摄像头和激光测距仪，实时监测当前的位置，使机器人工作在安全距离，保证冲洗轨迹的起点和终点定位准确，从而提高冲洗的质量和效率。

[0058] 3)运用了卡门涡街的原理，能够在最小限度的运动下提高冲洗水平，保证绝缘子串上的污垢被最大限度的清理。

附图说明

[0059] 图1水冲洗控制方式的流程图；

[0060] 图2水冲洗方式的示意图；

[0061] 图3圆弧插补的轨迹示意图。具体实施方式：

[0062] 下面结合附图对本发明进行详细说明：

[0063] 如图1-3所示，基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，包括以下步骤：

[0064] 步骤一：建立机器人路径规划模型；根据安装在冲洗平台上的激光测距仪可获得机器人与绝缘子之间的纵深距离，再对由监控摄像头获得的图片进行图像识别，从而可获得机器人和绝缘子之间的三维坐标值，同时亦可判断当前机器人与绝缘子之间的相对距离，保证作业距离在安全范围以内并判断机器人所处的位置，确定路径规划的起始状态；

[0065] 步骤二：采用直线插补方式实现水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的自动冲洗；

[0066] 步骤三：采用逐点比较法的圆弧插补方式实现喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗；

[0067] 步骤四：在进行水冲洗时，通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串后侧部位的冲洗。

[0068] 根据冲洗平台上的激光测距仪和监控摄像头判断当前机器人与绝缘子之间的相对距离，保证作业距离在安全范围以内并判断机器人所处的位置，以确定路径规划的起始状态。

[0069] 在冲洗之前，将冲洗时喷枪与绝缘子串的约束距离、冲洗的方式、系统的动力学约束条件，包括关节最大加速度，最大速度等导入到水冲洗机器人路径规划控制系统。

[0070] 图2为绝缘子冲洗的4个步骤：①从绝缘子底部开始向上冲洗，冲洗到绝缘子四分之一处，再向下冲洗到底部；②从绝缘子底部开始向上冲洗，冲洗到绝缘子二分之一处，再向下冲洗到底部；③从绝缘子底部开始向上冲洗，冲洗到绝缘子四分之三处，再向下冲洗到底部；④从绝缘子底部开始向上冲洗，冲洗到绝缘子顶部，再向下冲洗到底部。水冲洗机器人在实现图2对绝缘子串①-④步骤的上下方向冲洗时，在冲洗开始采集得到起始时刻及终止时刻操作臂的关节角度。对于单个关节的平稳运动，轨迹函数至少满足四个约束条件。其中两个是起始点和终止点对应的关节角度：

[0071] θ(0)＝θ0

[0072] θ(tf)＝θf

[0073] 为了满足关节运动速度的连续性要求，另外还有两个约束条件，即起始点与终止点的关节速度要求，在当前的情况下，即开始冲洗时，规定：

[0074] θ'(0)＝0

[0075] θ'(tf)＝0

[0076] 上述四个边界的约束条件唯一的确定了一个三次多项式：

[0077] θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3

[0078] 运动轨迹的关节速度与加速度为：

[0079] θ'(t)＝a1+2a2t+3a3t2

[0080] θ″(t)＝2a2+6a3t

[0081] 代入相应的约束方程，得到有关系数a0，a1，a2，a3，可得：

[0082] a0＝θ0

[0083] a1＝0

[0084]

[0085]

[0086] 由此确定了时间与角度的关系，当进行冲洗时，车体相对于绝缘子的具体是一定的，设为，可得绝缘杆的长度l＝d/sinθ，带入公式θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3，可以得到冲洗过程中随时间的变化关系：

[0087]

[0088] 对(l,d,θ0,θf)进行插值，生成水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的冲洗轨迹。

[0089] 路径点上的关节速度可以根据需要设定，由此，确定三次多项式的方法就与直线插补中所述完全相同，只是速度约束条件变为：

[0090] θ'(0)＝θ0'

[0091] θ'(tf)＝θf'

[0092] 确定三次多项式的四个方程为：

[0093] θ0＝a0

[0094] θf＝a0+a1tf+a2tf2+a3tf3

[0095] θ0'＝a1

[0096] θf'＝a1+2a2tf+3a3tf2

[0097] θ0,θf,θ′0,θ′f分别为起始点和时间参变量tf时刻的角度和角速度，a0,a1,a2,a3为待定系数。

[0098] 求解方程组，可得到三次多项式的系数：

[0099] a0＝θ0

[0100] a1＝θ0'

[0101]

[0102]

[0103] θ0,θf,θ′0,θ′f分别为起始点和时间参变量tf时刻的角度和角速度，a0,a1,a2,a3为待定系数。

[0104] 由此确定的三次多项式描述了起始点与终止点具有任意给定位置和速度的运动轨迹，剩下的问题就是如何确定路径点上的关节速度，在系统中为了保证每个路径点上的加速度连续，控制系统会根据要求自动选择路径点的速度。为了保证路径点的加速度连续，可以设法用两条三次曲线在路径点处按照一定规则连接起来拼凑成所要求的轨迹，其约束条件是：连接处不仅速度连续，而且加速度也连续。

[0105] 设所经过的路径点处的关节角度为θv，与该点相邻的前后两点的关节速度分别为θ0和θg。从θ0到θv的插值三次多项式为：

[0106] θ(t)＝a10+a11t+a12t2+a13t3

[0107] 从θv到θg的插值三次多项式为：

[0108] θ(t)＝a20+a21t+a22t2+a23t3

[0109] 上述两个三次多项式的时间区间分别为 和 对这两个多项式的约束是：

[0110] θ0＝a10

[0111] θv＝a10+a11tf1+a12tf12+a13tf13

[0112] θv＝a20

[0113] θg＝a20+a21tf2+a22tf22+a23tf23

[0114] 0＝a11

[0115] 0＝a21+2a22tf2+3a23tf22

[0116] a11+2a12tf1+3a13tf12＝a21

[0117] 2a21+6a13tf1＝2a22

[0118] aij,i＝1,2,j＝0,1,2,3,为待定系数，tf1,tf2为时间参数。

[0119] 以上约束条件组成了含有8个未知数的8个线性方程，对于tf1＝tf2＝tf的情况，这个方程的解为：

[0120] a10＝θ0

[0121] a11＝0

[0122]

[0123]

[0124] a20＝θv

[0125]

[0126]

[0127]

[0128] aij,i＝1,2,j＝0,1,2,3,为待定系数，tf,tf1,tf2为时间参数。

[0129] 由此我们将得到的系数带入θ(t)＝a10+a11t+a12t2+a13t3，就可以得到关节角度随时间变化的关系。

[0130] 对(Xi,Yi,θ0,θf)进行插值，生成对水冲洗机器人对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗的运动轨迹。

[0131] 为确保喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗，即图2中①-②，②-③，③-④的中间过渡过程，采用逐点比较法的圆弧插补方式。进行圆弧插补时，通常以圆心为原点，根据圆弧起点与终点的坐标值来进行插补。

[0132] 设圆弧插补的圆弧起点坐标为(X0,Y0)，终点坐标为(Xe,Ye)，对于圆弧上任一点(Xi,Yi)，有：Xi2+Yi2＝R2，令F＝Xi2+Yi2-R2为偏差函数。当F＞0时，该点在圆外，向-X方向运动一步；当F＜0时，该点在圆弧内，向+Y方向运动一步；为使运动继续下去，将F＝0归入F＞0的情况，插补运动始终沿着圆弧并向终点运动。圆弧插补的判别计算可采用如下的迭加运算：

[0133] 设当前点(Xi,Yi)对应的偏差函数为

[0134] Fi＝Xi2+Yi2-R2

[0135] 当喷枪沿-X方向走一步后

[0136] Fi+1＝(Xi-1)2+Yi2-R2＝Fi-2Xi+1

[0137] 当喷枪沿+Y方向走一步后

[0138] Fi+1＝Xi2+(Yi+1)2-R2＝Fi+2Yi+1

[0139] 终点判别可由n＝|Xe-X0|+|Ye-Y0|判别，每走一步使n＝n+1，直至n＝0为止。

[0140] 以上为第一象限逆圆弧的插补，其它象限的顺逆圆弧的插补原理与第一象限相似。

[0141] 把路径点也看作是“起始点”和“终止点”，对这些路径点求解逆运动学，得到相应的关节矢量值，然后确定所要求的三次多项式插值函数，把路径点平滑的连接起来，但是这些“起始点”和“终止点”的关节运动速度不再是零。

[0142] 进行水冲洗时，调节出水速度，使雷诺数满足47

[0143] 通过以上步骤，提供了一种变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方式，该方法能够实现水冲洗机器人冲洗作业的精准控制，保证冲洗的质量，降低带电作业的安全隐患，提高作业效率。